1、TOFD技术概念技术概念TOFD技术技术,即即Time of flight diffraction technique,超声波衍射时差检测技术超声波衍射时差检测技术概念：概念：一种依靠超声波与缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对缺陷进行定量的检测技术一种依靠超声波与缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对缺陷进行定量的检测技术发展条件：发展条件：因其原理与传统检测方式有很多不同，弥补了传统方法的不足之处因其原理与传统检测方式有很多不同，弥补了传统方法的不足之处TOFD发展及应用背景1.TOFD(Time of Flight Diffraction)即衍射时差法是由上个世纪七十年代由国际
2、原子能中心的（英国即衍射时差法是由上个世纪七十年代由国际原子能中心的（英国哈韦尔原子能权威人士哈韦尔原子能权威人士Dr.silk）提议下发展而来。）提议下发展而来。2.TOFD最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用最初的发展仅仅是作为定量工具，最初的想法是：使用常规技术探测到缺陷后使用TOFD进行进行精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。精确的定量和监测在线设备裂纹的扩展（例如检测压力容器）。TOFD发展及应用背景3.很多年以来很多年以来TOFD一直在实验室里，各国做过大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，一直在实验室里，各国做过
3、大量实验直到八十年代才为业界所认同；在这些实验中，用事实证明了用事实证明了TOFD在可靠性和精度方面都是非常好的技术。在可靠性和精度方面都是非常好的技术。4.利用利用TOFD技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷，收集扫查数据实时形成技术探伤沿焊缝进行扫查基本能发现焊缝所有缺陷，收集扫查数据实时形成B扫或扫或D扫图扫图像比单纯看像比单纯看A扫更容易判断缺陷的尺寸和性质。扫更容易判断缺陷的尺寸和性质。TOFD 认可TOFD 已经得到已经得到ASTM E2373-04，ASME VIII Code 2235，CEN ENV 583-6(2000)，BS 7706(1993)等标准的认可。等标
4、准的认可。TOFD 对于判定缺陷的真实性和精确定量上十分有效。对于判定缺陷的真实性和精确定量上十分有效。TOFD 可以和脉冲反射法相互取长补短。可以和脉冲反射法相互取长补短。例如，例如，检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表检出焊缝中部的缺陷，判断缺陷是否向表面延伸等就是它的强项。面延伸等就是它的强项。TOFD原理1.波形衍射波形衍射当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，另外在裂纹表面还会产生反射。另外在裂纹表面还会产生反射。TOFD就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来对缺陷
5、进行定位定量。对缺陷进行定位定量。探头入射波反射波衍射波被测工件探头入射波反射波反射波衍射波被测工件t 由于衍射波能量远远低于由于衍射波能量远远低于反射波能量反射波能量,因此采用单探头作因此采用单探头作TOFD检测时衍射信号被反射检测时衍射信号被反射波掩盖难以观察波掩盖难以观察,因此单探头扫因此单探头扫查方式查方式,不适合高效的不适合高效的TOFD检检测测反射波衍射波探头入射波反射波衍射波被测工件探头 双探头阵列双探头阵列,将接收探头置于焊缝另一侧将接收探头置于焊缝另一侧,有效的保证了衍射波的接收有效的保证了衍射波的接收,而反射信号而反射信号,基本上是不被接收的基本上是不被接收的,而衍射波没有
6、明显的指向性，可以轻易的被接收探头接收，从而而衍射波没有明显的指向性，可以轻易的被接收探头接收，从而在屏幕上显示出比较纯粹的衍射信号在屏幕上显示出比较纯粹的衍射信号.为了使衍射信号更好的被接收到为了使衍射信号更好的被接收到,两只探头的技术参数应尽量一致两只探头的技术参数应尽量一致,如探头频率和角如探头频率和角度等度等.2.探头的选择有效覆盖区 检测通常采用小晶片，大扩散角，宽检测通常采用小晶片，大扩散角，宽频带的纵波探头。频带的纵波探头。晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和晶片一般采用复合压电晶片，有效提高发射和接收灵敏度接收灵敏度,且直径一般不超且直径一般不超25mm。不同工件厚度需要不
7、同的探头角度，因此探头不同工件厚度需要不同的探头角度，因此探头与楔块采用分离方法，可根据不同的需要，更换与楔块采用分离方法，可根据不同的需要，更换不同的楔块。不同的楔块。复合压电晶片复合压电晶片优点优点:1.横向振动很弱横向振动很弱,串扰声压小串扰声压小2.机械品质因子机械品质因子Q值低值低3.带宽大带宽大(80100%)4.机电耦合系数值大机电耦合系数值大5.灵敏度高灵敏度高,信噪比优于普通信噪比优于普通PZT探头探头6.在较大温度范围内特性稳定在较大温度范围内特性稳定7.可加工形状复杂的探头可加工形状复杂的探头8.易与声阻抗不同的材料匹配易与声阻抗不同的材料匹配9.可通过陶瓷体积率的变化可
8、通过陶瓷体积率的变化,调节超声波灵敏度调节超声波灵敏度关键词关键词.TOFD(time of flight diffraction)超声波衍射时差法超声波衍射时差法,是采用一发一收两只探头是采用一发一收两只探头,利用缺陷端点处的衍射信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检利用缺陷端点处的衍射信号探测和测定缺陷尺寸的一种自动超声检测方法测方法.直通波直通波(lateral wave)直通波是从发射探头发出沿工件以最短路径到达接收探头的波束直通波是从发射探头发出沿工件以最短路径到达接收探头的波束.底面反射波底面反射波(back wall echo)经底面反射到接收探头的超声波经底面反射到接收探头的超
9、声波.探头中心间距探头中心间距(probe centre separation)发射和接收探头入射点之间的直线距离发射和接收探头入射点之间的直线距离 2/3T探头间距的设定探头间距的设定,基本遵循两探头主声轴交叉于被测区域厚度的基本遵循两探头主声轴交叉于被测区域厚度的2/3处处,计算公式如下计算公式如下:PCS=(4/3)T tanPCS-探头中心间距探头中心间距 T被检区域厚度被检区域厚度-探头折射角探头折射角探头角度与频率的选择探头角度与频率的选择工件厚度工件厚度mm中心频率中心频率MHzzz探头角度探头角度晶片尺寸晶片尺寸mm1010-1550-702-610-305-1050-602-
10、630-702-545-606-12 由上表可知再进行由上表可知再进行TOFD检测时，薄壁工件应选择高频小晶片大角度探头，而检测时，薄壁工件应选择高频小晶片大角度探头，而厚壁工件应选用低频大晶片小角度探头厚壁工件应选用低频大晶片小角度探头发射探头发射探头接收探头接收探头被测工件TOFD扫查焊缝扫查焊缝形成的A扫脉冲图像直通波直通波上端点上端点下端点下端点底波3.波形的相位关系波形的相位关系当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时，当超声波束由一个高阻抗的介质传播到一个低阻抗介质中时，在界面经过反射后波束相位发生改变，如果波束在遇到界面前在界面经过反射后波束相位发生改变，如果波束在遇
11、到界面前是负向周期则在界面反射后转变为正向周期。是负向周期则在界面反射后转变为正向周期。发射探头发射探头接收探头接收探头如下图，波束经过上端点和底面时，在异质界面反射和相位发如下图，波束经过上端点和底面时，在异质界面反射和相位发生转变，因此波形相位相似。而波束经过下端点时相当于波束生转变，因此波形相位相似。而波束经过下端点时相当于波束在底缺陷底部环绕，相位不发生转变与直通波相位相似。在底缺陷底部环绕，相位不发生转变与直通波相位相似。根据理论和实验证明，如果两个衍射信号的相位相反，则在两个信号间一定存在一个连续不间断的缺陷。根据理论和实验证明，如果两个衍射信号的相位相反，则在两个信号间一定存在一
12、个连续不间断的缺陷。因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是因此识别相位变化对于评定缺陷尺寸非常重要。利用上、下端点的时间差来计算缺陷深度和自身高度是TOFD探伤最重要的部分探伤最重要的部分*注在一些特殊情况下，例如气孔，小夹渣之类的缺陷由于几何尺寸太小不会产生两个分离的端点信号+_+_ss4.深度计算公式深度计算公式ht如上图所示，两探头的信号是对称的，则如上图所示，两探头的信号是对称的，则在两探头之间的信号时间在两探头之间的信号时间 t 可以用下式计算可以用下式计算chSt222s两探头中心距的一半h=反射信号的深度c=声速由于时间可以由仪
13、器自行测出，由于时间可以由仪器自行测出，因此由左式可计算出缺陷深度因此由左式可计算出缺陷深度22)2(stchSSh1h2h5.缺陷自身高度计算缺陷自身高度计算根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度根据刚才的公式，计算出缺陷的上端点深度和下端点深度两者之差即为缺陷自身高度，如下式两者之差即为缺陷自身高度，如下式h=h1-h2h1=上端点深度上端点深度 h2=下端点深度下端点深度TOFD扫描成像扫描成像发射探头发射探头接收探头接收探头TOFD的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的的成像并非是缺陷的实际图像显示，而是通过扫查时探头所接收到的A扫图形转换为扫图形转换
14、为黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要求至少黑白两色的灰度图，为了能有更清晰的图像因些要求至少256级的灰度分辨率级的灰度分辨率100%0%100%利用灰阶度来表示振幅，当回波处于0位时用中间灰色表示，当波形向正半周变化时向100%灰度（白色）渐变，当波形向负正半周变化时向-100%灰度（黑色）渐变A扫图像扫图像D扫图像扫图像直通波直通波上端点上端点下端点下端点底波底波+_+_TOFD扫查模式平行扫查平行扫查:又称横向扫查又称横向扫查,是指扫查方向与超声波束方向是平行的是指扫查方向与超声波束方向是平行的,扫查结果称为扫查结果称为B-scan,所得结果主要所得结果主要是轴和轴方向值该扫查
15、方法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫查时探头须越过焊缝，是轴和轴方向值该扫查方法能为我们提供很准确的深度结果，但因扫查时探头须越过焊缝，操作起来相对烦琐操作起来相对烦琐非平行扫查非平行扫查:又称纵向扫查，是指扫查方向与超声波束方向不平行，扫查结果称为又称纵向扫查，是指扫查方向与超声波束方向不平行，扫查结果称为scan，所得结，所得结果主要是深度和长度轴方向值，扫查方便，适用大范围的焊逢检测，一般采用探头对称布置于焊缝果主要是深度和长度轴方向值，扫查方便，适用大范围的焊逢检测，一般采用探头对称布置于焊缝中心线两侧沿焊缝长度方向扫查中心线两侧沿焊缝长度方向扫查左偏置非平行扫查左偏置非平行扫查
16、右偏置非平行扫查右偏置非平行扫查TOFD扫查模式非平行扫查时得到的扫描图像非平行扫查时得到的扫描图像A扫波形扫波形D扫图像扫图像直通波直通波底波底波有缺陷时扫描图像有缺陷时扫描图像A扫图像扫图像D扫图像扫图像上端点上端点下端点下端点特殊缺陷的特征特殊缺陷的特征直通波被阻断直通波被阻断下端点下端点底波底波特征：特征：没有直通波没有直通波和上端点的和上端点的信号信号1.上表面开口裂纹上表面开口裂纹当缺陷沿扫查方向有一定长度时，连续扫查得下如下当缺陷沿扫查方向有一定长度时，连续扫查得下如下D扫图像扫图像直通波被阻断直通波被阻断下端点下端点底波底波直通波断开直通波断开只有下端点信号只有下端点信号当表面
17、开口深度非常小时，直通波并没有断开，但明显滞后当表面开口深度非常小时，直通波并没有断开，但明显滞后直通波被阻断直通波被阻断底波底波直通波滞后直通波滞后底波被阻断底波被阻断上端点上端点底波底波2.下表面开口裂纹下表面开口裂纹特征：特征：没有下端点和底波没有下端点和底波底波断开底波断开上端点上端点底波被阻断底波被阻断上端点上端点底波底波2.下表面开口裂纹下表面开口裂纹由于开口深度较小，无法完全阻当直通波，由于开口深度较小，无法完全阻当直通波，因此底波并未消失，但明显滞后因此底波并未消失，但明显滞后没有下端点和底波没有下端点和底波上端点上端点底波滞后底波滞后底波底波3.短小缺陷短小缺陷在焊缝中出现短
18、小缺陷，上下端点距离很小，在焊缝中出现短小缺陷，上下端点距离很小，因此没有明显区分的上下端点衍射，因此没有明显区分的上下端点衍射，因此会出现一个非常明显的不规则多次振荡信号因此会出现一个非常明显的不规则多次振荡信号底波底波4.近表面缺陷近表面缺陷在近表面发现的缺陷，由于与直通波距离近，在近表面发现的缺陷，由于与直通波距离近，因此上端点与直通波叠加在一起难以区分。因此上端点与直通波叠加在一起难以区分。5.单个气孔单个气孔由于几何尺寸小，因此没有明显分离的上下端点回波，由于几何尺寸小，因此没有明显分离的上下端点回波，形成一个独立的小月牙状，相位无法分辨形成一个独立的小月牙状，相位无法分辨,受扩散声
19、束影响比较大受扩散声束影响比较大,会有较长的弧形拖尾会有较长的弧形拖尾.扩散声束对图像的影响扩散声束对图像的影响A扫图像扫图像D扫图像扫图像由于扩散声束作用于缺陷上时同样会产生衍射信号使得缺陷形两端成由于扩散声束作用于缺陷上时同样会产生衍射信号使得缺陷形两端成的图像上有明显的弧形拖尾因此对缺陷长度的判定造成困难的图像上有明显的弧形拖尾因此对缺陷长度的判定造成困难，因此为了对缺陷长度精确定位需要对图像重新聚焦。，因此为了对缺陷长度精确定位需要对图像重新聚焦。合成孔径聚焦技术（合成孔径聚焦技术（SAFT）的应用）的应用关键词：关键词：Synthetic Aperture Focusing Tech
20、niqueSAFT算法最早被应用于雷达技术，来提高雷达图像的横向分辨率。该算法是一种很有前景的高级成像算法最早被应用于雷达技术，来提高雷达图像的横向分辨率。该算法是一种很有前景的高级成像方法，它可以用低指向性的信号源和较低的工作频率来获得很高的方位分辨率。该算法在超声相控方法，它可以用低指向性的信号源和较低的工作频率来获得很高的方位分辨率。该算法在超声相控阵领域中得到了应用。但是，将该技术应用到超声阵领域中得到了应用。但是，将该技术应用到超声TOFD法检测中还未见诸报道。我公司根据超声法检测中还未见诸报道。我公司根据超声TOFD法扫描图像的形成过程，探头和缺陷位置的几何关系，建立了超声法扫描图
21、像的形成过程，探头和缺陷位置的几何关系，建立了超声TOFD 扫描图像扫描图像SAFT算算法数学模型，实现图像的法数学模型，实现图像的SAFT重建。重建。SAFT处理前后的对比处理前后的对比经过经过SAFT处理后能够有效的消除图像上扩散声束所形成的影像从而使得成像后的图形更清晰，处理后能够有效的消除图像上扩散声束所形成的影像从而使得成像后的图形更清晰，还原缺陷真实反映还原缺陷真实反映SAFT处理前后的对比处理前后的对比缺陷位置的偏差发射探头接收探头SSt2t1相等时间的轨迹相等时间的轨迹(t1+t2=ct)dmindmax实际上实际上:绝对深度的最大误差低于壁厚绝对深度的最大误差低于壁厚8%.内
22、部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的内部（小）缺陷的高度估计误差是可以忽略的。在不同深度的情况下，始终存在一条时间轨迹曲线，该曲线上任意一点距离两只探头的的传播时间相等，在不同深度的情况下，始终存在一条时间轨迹曲线，该曲线上任意一点距离两只探头的的传播时间相等，由于由于TOFD计算深度时始终认为缺陷是存在于两只探头间距的中心，因此在实际缺陷形成的位置偏离焊缝中心时，计算深度时始终认为缺陷是存在于两只探头间距的中心，因此在实际缺陷形成的位置偏离焊缝中心时，计算出的深度结果会与实际深度产生一定的误差。计算出的深度结果会与实际深度产生一定的误差。平行扫查上表面上表面底波底波B扫扫这种扫查会产生典型
23、的这种扫查会产生典型的 反向抛物线反向抛物线平行扫查时，扩散声束作用于缺陷平行扫查时，扩散声束作用于缺陷时的衍射信号传播时间较长，而当时的衍射信号传播时间较长，而当缺陷位于主声束中心时即当探头相缺陷位于主声束中心时即当探头相对于缺陷处于对称位置时，传播时对于缺陷处于对称位置时，传播时间最短间最短。因此会形成一个抛物线。因此会形成一个抛物线，抛物线的顶点处所计算的深度为，抛物线的顶点处所计算的深度为缺陷实际深度缺陷实际深度用普通用普通PE探头与探头与TOFD同时进行扫查同时进行扫查,有效的弥补有效的弥补TOFD探测的盲区探测的盲区K2探头探头K1探头探头TOFD探头探头 利用大角度探头一次直射监
24、控探测底面，利用小角度探头一次反射法监控利用大角度探头一次直射监控探测底面，利用小角度探头一次反射法监控探测表面，从而实现上下表面的盲区覆盖探测表面，从而实现上下表面的盲区覆盖TOFDPE_K2PE-K1PE_K2PE-K1TOFD 的局限性在上、下表面附近存在一定的盲区在上、下表面附近存在一定的盲区对对“噪声噪声”敏感，需要仪器参数的调整敏感，需要仪器参数的调整如果没有如果没有SAFT功能容易夸大了一些的缺陷功能容易夸大了一些的缺陷,如气孔如气孔,冷夹层冷夹层,内部未熔合。内部未熔合。对角焊缝或特殊形状的工件检测有一定难度。对角焊缝或特殊形状的工件检测有一定难度。需要积累大量的实验，增加探伤
25、人员的判别图谱的经验。需要积累大量的实验，增加探伤人员的判别图谱的经验。TOFD结语TOFD设置正确时是一种很好的缺陷定量和定位方法；设置正确时是一种很好的缺陷定量和定位方法；根据标准和检出率的要求把根据标准和检出率的要求把TOFD和脉冲反射法相结合获得更高的检测效率。和脉冲反射法相结合获得更高的检测效率。现场应用案例现场应用案例厚壁管环缝检测厚壁管环缝检测现场应用案例现场应用案例水电气包多通道检测水电气包多通道检测现场应用案例现场应用案例反应罐纵缝现场检测反应罐纵缝现场检测现场应用案例现场应用案例主暖管环缝检测主暖管环缝检测现场应用案例现场应用案例球罐现场检测球罐现场检测球罐检测球罐检测 结结 语语
